Tesis Doctorals en Xarxa
Not a member yet
46997 research outputs found
Sort by
Reconocimiento del andar humano mediante técnicas de aprendizaje profundo
Get PDF(English) The increase in crime and the limitations of traditional video surveillance systems to identify people non-intrusively in real time have prompted the search for new solutions in the field of security. In this context, Human Gait Recognition (HGR) emerges as an effective biometric alternative, allowing the identification of individuals through their walking patterns, without physical contact or active cooperation.This PhD thesis proposes the design and implementation of an intelligent human gait recognition module focused on real-time video surveillance scenarios. The solution combines appearance-based (silhouette) and model-based (estimated body pose) approaches, using computer vision and deep learning tools to achieve accurate identification even in uncontrolled visual conditions.
As a central contribution, the TecNM Gait-DS dataset was developed, specifically designed to represent the morphology, clothing style and walking patterns characteristic of the Latin American population. This dataset includes more than 22,500 video sequences of 124 subjects captured from 13 viewing angles and under five walking variants: normal, with backpack, with coat, carrying box and briefcase.The proposed system incorporates a real-time feature extraction module based on DensePose and Detectron2 networks, which extract silhouettes and key points with an average processing time of 45 ms per frame. These features feed different deep learning architectures: convolutional (ResNet-50, 101 and 152), attention-based (DINO-ViT), and gait-specialized (GaitMix and GaitRef) models.
Six experimental setups (A-F) combining silhouette preprocessing (with or without filling) and enrichment by angular convolutions from biomechanical motion matrices (joint angles) were defined. The evaluations were performed on the CASIA-B and TecNM Gait-DS arrays.The generalist models (ResNet and DINO-ViT) achieved more than 95 % effectiveness in CASIA-B and up to 87% in TecNM Gait-DS. The specialized models GaitMix and GaitRef exceeded 94 % in ideal conditions and reached 87.9% in the TecNM Gait-DS set, highlighting their robustness to variations in angle, clothing and type of walking. Likewise, the system demonstrated feasibility for real-time use, with inference times of less than 50 ms per image.Additionally, the Vapnik-Chervonenkis (VC) inequality was used to support that models trained with TecNM Gait-DS have better generalization capability. Despite a lower accuracy with respect to CASIA-B, the diversity of the Latin American set reduces the gap between the empirical error and the expected error, favoring its applicability in real scenarios.
This work not only provides technical innovations in the field of biometric recognition, but also has a direct social impact by promoting technologies adapted to the Latin American context. The results lay the foundations for the development of an embedded intelligent video surveillance system based on RAH, aimed at improving security in public and strategic spaces.(Català) L’augment de la criminalitat i les limitacions dels sistemes tradicionals de videovigilància per identificar persones de forma no intrusiva en temps real han impulsat la cerca de noves solucions en l’àmbit de la seguretat. En aquest context, el Reconeixement de la Marxa Humana (RAH) emergeix com una alternativa biomètrica eficaç, permetent la identificació d’individus a partir dels seus patrons de caminar, sense contacte físic ni cooperació activa.
Aquesta tesi doctoral proposa el disseny i la implementació d’un mòdul intel·ligent de reconeixement de la marxa humana enfocat a escenaris de videovigilància en temps real. La solució combina enfocaments basats en l’aparença (silüetes) i basats en model (posició corporal estimada), utilitzant eines de visió per computador i aprenentatge profund per aconseguir una identificació precisa fins i tot en condicions visuals no controlades.
Com a contribució central, es va desenvolupar el conjunt de dades TecNM Gait-DS, dissenyat específicament per representar la morfologia, l’estil de vestir i els patrons de caminar característics de la població llatinoamericana. Aquest conjunt inclou més de 22.500 seqüències de vídeo de 124 subjectes capturades des de 13 angles de visió i sota cinc variants de marxa: normal, amb motxilla, amb abric, carregant una capsa i un maletí.
El sistema proposat incorpora un mòdul d’extracció de característiques en temps real basat en les xarxes DensePose i Detectron2, que extreuen silüetes i punts clau amb un temps mitjà de processament de 45 ms per fotograma. Aquestes característiques alimenten diferents arquitectures d’aprenentatge profund: models convolucionals (ResNet-50, 101 i 152), basats en atenció (DINO-ViT), i especialitzats en marxa (GaitMix i GaitRef).
Es van definir sis configuracions experimentals (A-F) que combinen preprocessament de silüetes (amb o sense ompliment) i enriquiment mitjançant convolucions angulars a partir de matrius de moviment biomecànic (angles articulars). Les avaluacions es van realitzar en els conjunts CASIA-B i TecNM Gait-DS.
Els models generalistes (ResNet i DINO-ViT) van assolir més del 95 % d’efectivitat en CASIA-B i fins al 87 % en TecNM Gait-DS. Els models especialitzats GaitMix i GaitRef van superar el 94 % en condicions ideals i van assolir un 87,9 % en el conjunt TecNM Gait-DS, destacant la seva robustesa davant variacions d’angle, indumentària i tipus de marxa. Així mateix, el sistema va demostrar viabilitat per al seu ús en temps real, amb temps d’inferència inferiors a 50 ms per imatge.
Addicionalment, es va utilitzar la desigualtat de Vapnik-Chervonenkis (VC) per sustentar que els models entrenats amb TecNM Gait-DS tenen millor capacitat de generalització. Malgrat una precisió lleugerament inferior respecte a CASIA-B, la diversitat del conjunt llatinoamericà redueix la bretxa entre l’error empíric i l’error esperat, afavorint la seva aplicabilitat en escenaris reals.
Aquest treball no només aporta innovacions tècniques en el camp del reconeixement biomètric, sinó que també té un impacte social directe en promoure tecnologies adaptades al context llatinoamericà. Els resultats obtinguts assenten les bases per al desenvolupament d’un sistema empotrat de videovigilància intel·ligent basat en RAH, orientat a millorar la seguretat en espais públics i estratègics.(Español) El aumento de la criminalidad y las limitaciones de los sistemas tradicionales de videovigilancia para identificar personas de forma no intrusiva en tiempo real han impulsado la búsqueda de nuevas soluciones en el ámbito de la seguridad. En este contexto, el Reconocimiento del Andar Humano (RAH) surge como una alternativa biométrica eficaz, al permitir la identificación de individuos mediante sus patrones de caminata, sin contacto físico ni cooperación activa. Esta tesis doctoral propone el diseño e implementación de un módulo inteligente de reconocimiento del andar humano enfocado en escenarios de videovigilancia en tiempo real. La solución combina enfoques basados en apariencia (siluetas) y basados en modelo (pose corporal estimada), utilizando herramientas de visión por computador y aprendizaje profundo para lograr una identificación precisa incluso en condiciones visuales no controladas.Como contribución central, se desarrolló el conjunto de datos TecNM Gait-DS, diseñado específicamente para representar la morfología, estilo de vestimenta y patrones de caminata característicos de la población latinoamericana. Este conjunto incluye más de 22,500 secuencias de video de 124 sujetos capturados desde 13 ángulos de visión y bajo cinco variantes de caminata: normal, con mochila, con abrigo, cargando caja y maletín.El sistema propuesto incorpora un módulo de extracción de características en tiempo real basado en las redes DensePose y Detectron2, que extraen siluetas y puntos clave con un tiempo promedio de procesamiento de 45 ms por cuadro. Estas características alimentan diferentes arquitecturas de aprendizaje profundo: modelos convolucionales (ResNet-50, 101 y 152), basados en atención (DINO-ViT), y especializados en gait (GaitMix y GaitRef).Se definieron seis configuraciones experimentales (A–F) que combinan preprocesamiento de siluetas (con o sin relleno) y enriquecimiento mediante convoluciones angulares a partir de matrices de movimiento biomecánico (ángulos articulares). Las evaluaciones se realizaron en los conjuntos CASIA-B y TecNM Gait-DS.Los modelos generalistas (ResNet y DINO-ViT) lograron más del 95 % de efectividad en CASIA-B y hasta 87 % en TecNM Gait-DS. Los modelos especializados GaitMix y GaitRef superaron el 94 % en condiciones ideales y alcanzaron 87.9 % en el conjunto TecNM Gait-DS, destacando su robustez ante variaciones de ángulo, indumentaria y tipo de caminata. Asimismo, el sistema demostró viabilidad para su uso en tiempo real, con tiempos de inferencia menores a 50 ms por imagen.Adicionalmente, se utilizó la desigualdad de Vapnik-Chervonenkis (VC) para sustentar que los modelos entrenados con TecNM Gait-DS poseen mejor capacidad de generalización. A pesar de una menor precisión respecto a CASIA-B, la diversidad del conjunto latinoamericano reduce la brecha entre el error empírico y el error esperado, favoreciendo su aplicabilidad en escenarios reales.Este trabajo no solo aporta innovaciones técnicas en el campo del reconocimiento biométrico, sino que además tiene un impacto social directo al promover tecnologías adaptadas al contexto latinoamericano. Los resultados sientan las bases para el desarrollo de un sistema embebido de videovigilancia inteligente basado en RAH, orientado a mejorar la seguridad en espacios públicos y estratégicos.DOCTORAT EN AUTOMÀTICA, ROBÒTICA I VISIÓ (Pla 2013
Magnetohydrodynamics enhanced radio blackout mitigation system for spacecraft during planetary entries
No full textTesi amb menció de Doctorat Internacional(English) Spacecraft entering planetary atmospheres are enveloped by a plasma layer with high levels of ionization, caused by the extreme temperatures in the shock layer. The charged particles in the plasma interact with electromagnetic waves emitted by onboard antennas, resulting in communication and tracking difficulties during flight and causing radio communication blackouts that can last several minutes. The magnetic field alleviation technique is a proposed solution to reduce the plasma layer effects on radio signal propagation. This technique involves superimposing a magnetic field onto the plasma flow, transforming it into an anisotropic medium and altering its refractive index. This enables the creation of an extraordinary wave capable of propagating at plasma frequencies higher than the radio signal frequency.
The Horizon 2020 Magnetohydrodynamic Enhanced Entry System for Space Transportation (MEESST) project aims to design and test a high-temperature superconducting (HTS) magnet to mitigate radio communication blackout and reduce surface heat flux. This research focuses on the experimental study of the radio communication blackout phenomenon and its mitigation using an applied magnetic field, in the VKI plasma wind tunnel. A tailored communication system, designed to accommodate the ionization levels encountered in ground testing, is developed and fully characterized in the UPC anechoic chamber.
The results are divided into three main parts, each addressing a specific research question. The first part is dedicated to studying signal propagation in a plasma flow. Both air and CO2 plasma flows are characterized using emission spectroscopy. Radial temperature profiles are derived from the intensity of an oxygen atomic line, while electron number density profiles are determined from the Stark broadening of the Hb line. Radio signal magnitude profiles are measured in various configurations (side-to-side and stagnation) across a frequency range of 33 GHz to 40 GHz, under a wide range of testing conditions. Attenuation and Faraday rotation caused by the plasma are estimated, and the results show a strong correlation with the measured plasma frequencies.
The second part examines the effects of an applied magnetic field on the plasma flow and radio signal propagation. The probe houses the HTS magnet, which can generate a maximum magnetic flux density of approximately 0.45 T at the front of the antenna. Characterization of the magnetized air plasma flow reveals an increase in radiance, stagnation heat flux, and plasma temperature and frequency, attributed to the applied magnetic field. The higher electron density near the antenna and the increased attenuation of the extraordinary wave result in negligible differences in signal attenuation profiles. However, changes are observed in the reflection coefficient depending on the magnetic field strength, and in the Faraday rotation depending on the field direction.
The third part explores methods to duplicate flight conditions in ground facilities, concerning aerothermochemistry and radio communication blackout. A relevant condition related to radio blackout during the ARD reentry flight is selected, at an altitude of 60.6~km. The shock layer around an ARD model is replicated in the JAXA HIEST shock tunnel. The condition is numerically simulated for both flight and ground scenarios, highlighting the limitations of the binary scaling methodology. For the same flight condition, the local heat transfer simulation methodology is applied and tested in the Plasmatron facility, successfully replicating the same flow conditions. Finally, the electron number density profiles from both facilities are compared with those from flight.(Català) Les naus espacials que entren en atmosferes planetàries queden envoltades per una capa de plasma amb alts nivells d’ionització, generada per les temperatures extremes de la capa de xoc. Les partícules carregades del plasma interactuen amb les ones electromagnètiques emeses per les antenes de bord, fet que provoca dificultats en la comunicació i el seguiment durant el vol, causant apagades de les comunicacions per ràdio que poden durar diversos minuts. La tècnica d’atenuació per camp magnètic és una solució proposada per reduir els efectes de la capa de plasma en la propagació dels senyals de ràdio. Aquesta tècnica consisteix a superposar un camp magnètic al flux de plasma, convertint-lo en un medi anisòtrop i modificant-ne l’índex de refracció. Això permet generar una ona extraordinària capaç de propagar-se a freqüències de plasma superiors a la freqüència del senyal de ràdio.
El projecte Horizon 2020 MEESST ha tingut com a objectiu dissenyar i provar un imant superconductor d’alta temperatura (HTS) per mitigar les apagades de les comunicacions per ràdio i reduir el flux de calor superficial. Aquesta recerca se centra en l’estudi experimental del fenomen de l’apagada de les comunicacions per ràdio i la seva mitigació mitjançant un camp magnètic aplicat, realitzat al túnel de vent de plasma. Per aquest motiu, s’ha dissenyat un sistema de comunicacions a mida, adaptat als nivells d’ionització observats en proves terrestres, i s’ha caracteritzat completament a la cambra anecoica.
Els resultats es divideixen en tres parts, cadascuna abordant una qüestió de recerca específica. La primera part se centra en l’estudi de la propagació del senyal en un flux de plasma. Es caracteritzen fluxos de plasma d’aire i CO2 mitjançant espectroscòpia d’emissió. Els perfils radials de temperatura es determinen a partir de la intensitat d’una línia atòmica de l’oxigen, mentre que les densitats d’electrons s’obtenen a partir de l’eixamplament Stark de la línia Hβ. Els perfils de magnitud del senyal de ràdio es mesuren en diverses configuracions (banda a banda i estancament) en un interval de freqüències entre 33 GHz i 40 GHz, per a una àmplia gamma de condicions d’assaig. S’estimen l’atenuació i la rotació de Faraday causades pel plasma, i els resultats presenten una bona correlació amb les freqüències de plasma mesurades.
La segona part analitza els efectes d’un camp magnètic aplicat sobre el flux de plasma i la propagació del senyal de ràdio. La sonda incorpora l’imant HTS, capaç de generar una densitat de flux magnètic màxima d’aproximadament 0,45 T a la part frontal de l’antena. La caracterització del flux de plasma d’aire magnetitzat revela un augment de la radiància, del flux de calor en el punt d’estancament, i de la temperatura i freqüència del plasma, a causa del camp magnètic aplicat. L’increment de les densitats d’electrons a les proximitats de l’antena i l’atenuació més gran de l’ona extraordinària generen diferències petites i difícils de detectar en els perfils d’atenuació del senyal, però sí que es produeix un canvi en el coeficient de reflexió, dependent de la intensitat magnètica, i en la rotació de Faraday, dependent de la direcció.
La tercera part aborda diferents mètodes per reproduir una condició de vol en instal·lacions terrestres. Es selecciona una condició rellevant relacionada amb l’apagada de les comunicacions per ràdio durant el vol de reentrada de l’ARD, a una altitud de 60,6 km. La capa de xoc al voltant d’un model ARD es reprodueix al túnel de xoc HIEST. Aquesta condició es simula numèricament tant per al vol com per a les proves terrestres, posant en relleu les limitacions de la metodologia d’escalat binari. Per a la mateixa condició de vol, s’aplica la metodologia de simulació de transferència de calor local i es prova a la instal·lació Plasmatron, aconseguint reproduir amb èxit la capa límit de vol. Finalment, es comparen els perfils de densitat d’electrons obtinguts a les dues instal·lacions amb els del vol.(Español) Las naves espaciales que entran en atmósferas planetarias quedan rodeadas por una capa de plasma con altos niveles de ionización, causada por las temperaturas extremas de la capa de choque. Las partículas cargadas del plasma interactúan con las ondas electromagnéticas emitidas por las antenas, lo que genera dificultades en la comunicación y el seguimiento durante el vuelo, provocando apagones en las comunicaciones por radio que pueden durar varios minutos. La técnica de atenuación por campo magnético es una solución propuesta para reducir los efectos de la capa de plasma en la propagación de las señales de radio. Esta técnica consiste en superponer un campo magnético al flujo de plasma, transformándolo en un medio anisótropo y modificando su índice de refracción. De este modo, se genera una onda extraordinaria capaz de propagarse a frecuencias de plasma superiores a la frecuencia de la señal de radio.
El proyecto MEESST ha tenido como objetivo diseñar y probar un imán superconductor de alta temperatura (HTS) para mitigar los apagones de las comunicaciones por radio y reducir el flujo de calor superficial. Esta investigación se centra en el estudio experimental del fenómeno de los apagones de las comunicaciones por radio y su mitigación mediante un campo magnético aplicado, llevado a cabo en el túnel de viento de plasma. Se ha diseñado un sistema de comunicaciones a medida, adaptado a los niveles de ionización observados en pruebas terrestres, y se ha caracterizado completamente en la cámara anecoica.
Los resultados se dividen en tres partes, cada una abordando una cuestión de investigación específica. La primera parte se dedica al estudio de la propagación de la señal en un flujo de plasma. Se caracterizan los flujos de plasma de aire y CO2 mediante espectroscopia de emisión. Los perfiles radiales de temperatura se determinan a partir de la intensidad de una línea atómica de oxígeno, mientras que las densidades de electrones se obtienen mediante el ensanchamiento Stark de la línea Hb. Los perfiles de magnitud de la señal de radio se miden en diferentes configuraciones en un rango de frecuencias entre 33 y 40 GHz. Se estiman la atenuación y la rotación de Faraday causadas por el plasma, y los resultados muestran una buena correlación con las frecuencias de plasma medidas.
La segunda parte analiza los efectos de un campo magnético aplicado sobre el flujo de plasma y la propagación de la señal de radio. La sonda incorpora el imán HTS, capaz de generar una densidad de flujo magnético máxima de aproximadamente 0,45 T en la parte frontal de la antena. La caracterización del flujo de plasma de aire magnetizado revela un aumento del flujo de calor en el punto de remanso, y de la temperatura y frecuencia del plasma, debido al campo magnético aplicado. El incremento de las densidades de electrones cerca de la antena y la mayor atenuación de la onda extraordinaria generan diferencias mínimas, difícilmente detectables, en los perfiles de atenuación de la señal. Sin embargo, se observa un cambio en el coeficiente de reflexión, dependiente de la intensidad magnética, y en la rotación de Faraday, dependiente de la dirección del campo.
La tercera parte aborda diferentes métodos para reproducir una condición de vuelo en instalaciones terrestres. Se selecciona una condición relevante relacionada con el apagón de las comunicaciones por radio durante el vuelo de reentrada del ARD. La capa de choque alrededor de un modelo ARD se reproduce en el túnel de choque HIEST. Esta condición se simula numéricamente tanto para el vuelo como para las pruebas terrestres, destacando las limitaciones de la metodología de escalado binario. Para la misma condición de vuelo, se aplica la metodología de simulación de transferencia de calor local y se prueba en la instalación Plasmatron, logrando reproducir con éxito la capa límite de vuelo. Finalmente se comparan los perfiles de densidad de electrones obtenidos en ambas instalaciones con los del vuelo.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013
Estrategias para una extracción sostenible en minería de superficie
Get PDF(English) Mining is a fundamental sector for global economic development; however, it faces significant challenges related to the environmental impacts of its operations and the growing demand from stakeholders for sustainable and responsible practices. To ensure the long-term viability of the sector, it is essential to implement technical innovations and strategies that optimize costs, timelines, and productivity, while simultaneously integrating sustainability criteria from a holistic perspective.
This study analyzes the incorporation of ESG (Environmental, Social, and Governance) criteria in the early stages of mining engineering, design, and planning, through the analysis of two surface mining case studies. In the first case, different economic and design scenarios are evaluated by integrating technical and economic parameters, comparing fleet models in terms of operating costs, production efficiency, fuel consumption, and CO₂ emissions. In the second case study, ESG criteria are integrated from the geological modeling phase through the inclusion of specific variables, combining technical, economic, and socio-environmental aspects such as energy consumption, emissions, and investment in human capital.
The results of this research demonstrate that the early integration of ESG criteria into mine planning not only optimizes economic performance but also minimizes negative impacts on the environment and local communities. In this way, it promotes the development of mining projects that are economically viable, environmentally responsible, and socially acceptable, reducing uncertainty and strengthening the social license to operate.(Català) La mineria és un sector fonamental per al desenvolupament econòmic global; no obstant això, enfronta desafiaments significatius relacionats amb els impactes ambientals de les seves operacions i la creixent demanda de pràctiques sostenibles i responsables per part dels grups d'interès. Per a garantir la viabilitat a llarg termini del sector, és essencial la implementació d'innovacions tècniques i estratègies que optimitzin costos, terminis i productivitat, integrant al mateix temps criteris de sostenibilitat des d'una perspectiva holística.
El present estudi analitza la incorporació dels criteris ESG (Environmental, Social and Governance) en les etapes inicials de l'enginyeria, el disseny i la planificació minera, a través de l'anàlisi de dos casos d'estudi en mineria de superfície. En el primer cas, s'avaluen diferents escenaris econòmics i de disseny mitjançant la integració de paràmetres tècnics i econòmics, comparant models de flota en termes de costos operatius, eficiència productiva, consum de combustible i emissions de CO₂. En el segon cas d'estudi, s'incorporen criteris ESG des de la fase de modelamiento geològic mitjançant la inclusió de variables específiques, combinant aspectes tècnics, econòmics i socioambientales, com ara el consum energètic, les emissions i la inversió en capital humà.
Els resultats d'aquesta recerca evidencien que la integració primerenca de criteris ESG en la planificació minera permet no sols optimitzar el rendiment econòmic, sinó també minimitzar els impactes negatius sobre el medi ambient i les comunitats. D'aquesta manera, es fomenta el desenvolupament de projectes miners que siguin econòmicament viables, ambientalment responsables i socialment acceptables, reduint la incertesa i enfortint la llicència social per a operar.(Español) La minería es un sector fundamental para el desarrollo económico global; sin embargo, enfrenta desafíos significativos relacionados con los impactos ambientales de sus operaciones y la creciente demanda de prácticas sostenibles y responsables por parte de los grupos de interés. Para garantizar la viabilidad a largo plazo del sector, es esencial la implementación de innovaciones técnicas y estrategias que optimicen costos, plazos y productividad, integrando al mismo tiempo criterios de sostenibilidad desde una perspectiva holística.
El presente estudio analiza la incorporación de los criterios ESG (Environmental, Social and Governance) en las etapas iniciales de la ingeniería, el diseño y la planificación minera, a través del análisis de dos casos de estudio en minería de superficie. En el primer caso, se evalúan diferentes escenarios económicos y de diseño mediante la integración de parámetros técnicos y económicos, comparando modelos de flota en términos de costos operativos, eficiencia productiva, consumo de combustible y emisiones de CO₂. En el segundo caso de estudio, se incorporan criterios ESG desde la fase de modelamiento geológico mediante la inclusión de variables específicas, combinando aspectos técnicos, económicos y socioambientales, tales como el consumo energético, las emisiones y la inversión en capital humano.
Los resultados de esta investigación evidencian que la integración temprana de criterios ESG en la planificación minera permite no solo optimizar el rendimiento económico, sino también minimizar los impactos negativos sobre el medioambiente y las comunidades. De este modo, se fomenta el desarrollo de proyectos mineros que sean económicamente viables, ambientalmente responsables y socialmente aceptables, reduciendo la incertidumbre y fortaleciendo la licencia social para operar.DOCTORAT EN RECURSOS NATURALS I MEDI AMBIENT (Pla 2012
Alginate and chitosan-based biodegradable systems: A versatile framework for diverse delivery needs
Get PDFEls sistemes d’alliberament, que encapsulen materials dins d'una càpsula, ofereixen nombrosos avantatges, incloent l’alliberament controlat i una major estabilitat. Els polímers naturals són atractius per la seva biodegradabilitat, no toxicitat i capacitat de gelificació. Aquesta tesi doctoral explora el desenvolupament i la caracterització de sistemes d’alliberament basats en polímers naturals (alginat i quitosà) per a diverses aplicacions.
La primera part de la tesi es centra en encapsular un colorant blau, component dels detergents líquids, en una xarxa interpenetrant d’alginat i polietilenglicol (PEG), amb l'objectiu de substituir les càpsules basades en formaldehid, que són tòxiques. Es van investigar diferents paràmetres: l’acrilat derivat del PEG (dimetacrilat o diacrilat) i el moment en què es van irradiar les càpsules amb llum UV. De tots els sistemes analitzats, les càpsules preparades amb alginat i diacrilat de polietilenglicol mostraven les millors propietats tèrmiques i mecàniques.
En segon lloc, vam sintetitzar càpsules a base d’alginat que encapsulaven oli essencial de lavanda per al tractament de l’acne. Les càpsules entrecreuades amb zinc mostraven una major activitat antibacteriana que les càpsules entrecreuades amb calci contra Staphylococcus aureus i Staphylococcus epidermidis, atribuïda a les propietats antibacterianes dels ions zinc i a l’oli essencial de lavanda alliberats.
També es van preparar nanopartícules de quitosà que encapsulaven ciprofloxacina, un antibiòtic amb potencial anticancerígen. Es va estudiar la seva morfologia i eficiència d’encapsulació. A més, es va avaluar la seva eficàcia anticancerígena utilitzant un model d'esferoide tridimensional de càncer de bufeta, demostrant que aquestes nanopartícules presenten un potencial terapèutic prometedor.
Finalment, es van preparar apòsits per a ferides recoberts amb biopolímers i levofloxacina utilitzant un sistema automatitzat de deposició per esprai. L’addició dels biopolímers als apòsits n’incrementava la permeabilitat al vapor d'aigua, millorava l’alliberació sostinguda del fàrmac i la seva activitat antibacteriana, transformant-los en sistemes terapèutics actius.Los sistemas de liberación, que encapsulan materiales dentro de una cápsula, ofrecen numerosas ventajas, incluyendo la liberación controlada y una mayor estabilidad. Los polímeros naturales son atractivos por su biodegradabilidad, no toxicidad y capacidad de gelificación. Esta tesis doctoral explora el desarrollo y la caracterización de sistemas de liberación basados en polímeros naturales (alginato y quitosano) para diversas aplicaciones.
La primera parte de la tesis se centra en encapsular un colorante azul, componente de los detergentes líquidos, en una red interpenetrante de alginato y polietilenglicol (PEG), con el objetivo de sustituir las cápsulas basadas en formaldehído, que son tóxicas. Se investigaron diferentes parámetros: el acrilato derivado del PEG (dimetacrilato o diacrilato) y el momento en que se irradiaron las cápsulas con luz UV. De todos los sistemas analizados, las cápsulas preparadas con alginato y diacrilato de polietilenglicol mostraban las mejores propiedades térmicas y mecánicas.
En segundo lugar, sintetizamos cápsulas a base de alginato que encapsulaban aceite esencial de lavanda para el tratamiento del acné. Las cápsulas entrecruzadas con zinc mostraban una mayor actividad antibacteriana que las cápsulas entrecruzadas con calcio contra Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis, atribuida a las propiedades antibacterianas de los iones zinc y al aceite esencial de lavanda liberados.
También se prepararon nanopartículas de quitosano que encapsulaban ciprofloxacino, un antibiótico con potencial anticancerígeno. Se estudió su morfología y eficiencia de encapsulación. Además, se evaluó su eficacia anticancerígena utilizando un modelo de esferoide tridimensional de cáncer de vejiga, demostrando que estas nanopartículas presentan un potencial terapéutico prometedor.
Finalmente, se prepararon apósitos para heridas recubiertos con biopolímeros y levofloxacino utilizando un sistema automatizado de deposición por spray. La adición de los biopolímeros a los apósitos incrementaba su permeabilidad al vapor de agua, mejoraba la liberación sostenida del fármaco y su actividad antibacteriana, transformándolos en sistemas terapéuticos activos.Delivery systems, which encapsulate materials within a protective shell, offer numerous advantages, including controlled release and enhanced stability. Natural polymers are attractive due to their biodegradability, non-toxicity, and gelation capabilities. This PhD thesis explores the development and characterization of delivery systems based on natural polymers (alginate and chitosan) for various applications.
The first part of the thesis focuses on encapsulating blue dye, a component of laundry detergents, in an interpenetrating network constituted of alginate and poly(ethylene glycol) (PEG), with the aim of replacing toxic formaldehyde-based capsules. Different parameters were investigated: the acrylate derived from PEG (dimethacrylate or diacrylate) and the time when the capsules were irradiated with UV light. Of all the systems analysed, capsules prepared using alginate and poly(ethylene glycol) diacrylate showed the best thermal and mechanical properties.
Secondly, we synthesized alginate-based capsules encapsulating lavender essential oil for acne treatment. Zinc-crosslinked capsules exhibited greater antibacterial activity than calcium-crosslinked capsules against Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis, attributed to the antibacterial properties of the released zinc ions and lavender essential oil.
Chitosan nanoparticles encapsulating ciprofloxacin, an antibiotic with anticancer potential, were also prepared. Their morphology and encapsulation efficiency were studied. Furthermore, their anticancer efficacy was evaluated using a 3D spheroid model of bladder cancer, demonstrating that these nanoparticles hold promising therapeutic potential.
Finally, wound pads coated with biopolymers and levofloxacin were prepared using an automated spray deposition system. The addition of biopolymers to the wound dressings increased their water vapor permeability, improved sustained drug release, and enhanced their antibacterial activity, transforming them into active therapeutic systems."Universitat Rovira i Virgili. Programa de doctorat en Nanociència, Materials i Enginyeria Química
Complicaciones médicas del trastorno por uso de alcohol. Inflamación y enfermedad cardiovascular
Get PDFEl consum d'alcohol és molt prevalent al nostre medi i s'associa a danys en un gran nombre d'òrgans afavorint el desenvolupament de malalties com la malaltia hepàtica associada al consum d'alcohol, la malaltia cardiovascular o el càncer. El consum excessiu dalcohol es relaciona també amb alteracions analítiques suggestives de dany hepàtic. A la patogènia de la malaltia hepàtica associada al consum d'alcohol, la inflamació sistèmica, activació monocitaria, permeabilitat intestinal i translocació bacteriana són rellevants. Es desconeix si aquests fenòmens ja són presents en pacients amb formes menys avançades de la malaltia. L‟objectiu d‟aquesta tesi doctoral és analitzar els valors de marcadors d'inflamació sistèmica, activació monocitaria i translocació bateriana en pacients amb trastorn per ús d‟alcohol (TUA), així com la seva associació amb altres paràmetres clínics i analítics, amb el consum concomitant de cocaïna i/o cànnabis, amb la presència de fibrosi hepàtica estimada per FIB-4, amb el sexe o la presència de factors de risc cardiovascular. Per a aquest propòsit, els estudis realitzats han estat en pacients amb TUA ingressats per a desintoxicació a dues unitats d'addiccions de dos hospitals diferents de l'àrea metropolitana de Barcelona, l'Hospital Universitari Germans Trias i Pujol de Badalona i l'Hospital Universitari de Bellvitge de l'Hospitalet de Llobregat.
Els pacients amb TUA ingressats per a desintoxicació presenten nivells més elevats de marcadors d'inflamació sistèmica, activació monocitaria i translocació bacteriana. El consum de cànnabis en aquests pacients s'associa a nivells més elevats de sCD163, un marcador d'activació monocitaria. Paràmetres analítics com els nivells elevats de glucosa, aspartat aminotransferasa (AST), volum corpuscular mitjà (VCM), proteïna C reactiva (PCR) o els nivells baixos d'hemoglobina també s'associen amb valors més elevats de marcadors d'inflamació sistèmica com la IL-6 i d'activació monocitaria com el sCD14 o el CD163. La presència fibrosi hepàtica avançada mesurada amb l'índex FIB-4 s'associa a valors elevats d'aquests marcadors d'inflamació sistèmica i d'activació monocitaria, així com a valors més elevats de proteïna d'unió al lipopolisacàrid (LBP) així com a valors menors de lipopolisacàrid (LPS).
La presència de diabetis mellitus tipus 2 o d'antecedent de malaltia cardiovascular en pacients amb TUA s'associa amb una mitjana de sCD163 més elevada, a més els pacients amb diabetis mellitus tipus 2 insulinitzats presenten una mitjana tant d'IL-6 com d'IL-10 més elevada. Les dones presenten un consum menor diari i una mitja de duració menor del TUA quan ingressen per a desintoxicació. Les dones presentaven una menor prevalença de diabetes i una menor prevalença d'event cardiovascular previ, així com una mitja menor de valors de sCD163 e IL-10 en plasmaEl consumo de alcohol es muy prevalente en nuestro medio y se asocia con daños en un gran número de órganos favoreciendo el desarrollo de enfermedades como la enfermedad hepática asociada al consumo de alcohol (EHA), la enfermedad cardiovascular, o el cáncer. El consumo excesivo de alcohol se relaciona también con alteraciones analíticas sugestivas de daño hepático. En la patogenia de la EHA, la inflamación sistémica, activación monocitaria, permeabilidad intestinal y translocación bacteriana son relevantes. Se desconoce si estos fenómenos ya están presentes en pacientes con formas menos avanzadas de la enfermedad.
El objetivo de esta tesis doctoral es analizar los valores de marcadores de inflamación sistémica, de activación monocitaria y de translocación bateriana en pacientes con trastorno por uso de alcohol (TUA), así como su asociación con otros parámetros clínicos y analíticos, con el consumo concomitante de cocaína y/o cannabis, con la presencia de fibrosis hepática estimada por FIB-4, con el sexo o la presencia de factores de riesgo cardiovascular. Para este propósito, los estudios realizados han sido en pacientes con TUA ingresados para desintoxicación en dos Unidades de Adicciones de dos hospitales distintas del área metropolitana de Barcelona, el Hospital Universitario Germans Trias i Pujol de Badalona y el Hospital Universitario de Bellvitge de l’Hospitalet de Llobregat.
Los pacientes con TUA ingresados para desintoxicación presentan niveles más elevados de marcadores de inflamación sistémica, activación monocitaria y translocación bacteriana. El consumo de cannabis en estos pacientes se asocia a niveles más elevados de sCD163, un marcador de activación monocitaria. Parámetros analíticos como los niveles elevados de glucosa, aspartato aminotransferasa (AST), volumen corpuscular medio (VCM), proteína C reactiva (PCR) o los niveles bajos de hemoglobina también se asocian con valores más elevados de marcadores de inflamación sistémica como la IL-6 y de activación monocitaria como el sCD14 o el CD163. La presencia fibrosis hepática avanzada medida con el índice FIB-4 se asocia a valores elevados de estos marcardores de inflamación sistémica y de activación monocitaria, así como a valores más elevados de proteína de unión al lipopolisacárido (LBP) y a valores menores de lipopolisacárido (LPS). La presencia de diabetes mellitus tipo 2 o de antecedente de enfermedad cardiovascular en pacientes con TUA se asocia con una media de sCD163 más elevada, además los pacientes con diabetes mellitus tipo 2 insulinizados presentan una media tanto de IL-6 como de IL-10 más elevada. Las mujeres presentan un consumo medio diario menor y una media menor de años de duración del TUA cuando ingresan para desintoxicación. Las mujeres presentaban una menor prevalencia de diabetes y de enfermedad cardiovascular previa, así como una media menor de valores de sCD163 e IL-10 en plasma.Alcohol consumption is highly prevalent in our environment and is associated with damage to a large number of organs, promoting the development of diseases such as alcohol-related liver disease (ARLD), cardiovascular disease, and cancer. Excessive alcohol consumption is also associated with laboratory abnormalities suggestive of liver damage. Systemic inflammation, intestinal permeability, bacterial translocation, and monocyte activation are relevant factors in the pathogenesis of ARLD. It is unknown whether these phenomena are already present in patients with less advanced forms of the disease.
The aim of this doctoral thesis is to analyze the values of systemic inflammation markers, mononcyte activation and bacterial translocation in patients with alcohol use disorder (AUD), as well as their association with other clinical and analytical parameters, with concomitant use of cocaine and/or cannabis, with the presence of liver fibrosis estimated by FIB-4, with sex or the presence of cardiovascular risk factors. For this purpose, the studies carried out included patients with AUD admitted for detoxification in two Addiction Units of two different hospitals in the metropolitan area of Barcelona, Hospital Universitario Germans Trias i Pujol de Badalona and Hospital Universitario de Bellvitge de l’Hospitalet de Llobregat.
Patients with AUD admitted for detoxification have higher levels of markers of systemic inflammation, monocyte activation, and bacterial translocation. Cannabis use in these patients is associated with higher levels of sCD163, a marker of monocyte activation. Laboratory parameters such as elevated glucose, aspartate aminotransferase (AST), mean corpuscular volume (MCV), C-reactive protein (CRP), and low hemoglobin levels are also associated with higher levels of systemic inflammation markers such as IL-6 and monocyte activation markers such as sCD14 and CD163. The presence of advanced liver fibrosis, measured with the FIB-4 index, is associated with elevated levels of these systemic inflammation and monocyte activation markers, as well as with higher levels of lipopolysaccharide-binding protein (LBP) and lower levels of lipopolysaccharide (LPS). The presence of type 2 diabetes mellitus or a history of cardiovascular disease in patients with AUD was associated with higher mean sCD163 levels, furthermore, patients with type 2 diabetes mellitus who were treated with insulin had higher mean levels of both IL-6 and IL-10. Women had lower mean daily consumption and a shorter mean duration of AUD when they were admitted for detoxification. Women had a lower prevalence of diabetes and previous cardiovascular disease, as well as lower mean plasma sCD163 and IL-10 levels.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Medicin
Les dades obertes en la recerca arqueològica a Catalunya: pràctiques i perspectives
Get PDFPrograma de Doctorat en Informació i Comunicació[cat] L’adopció del model de dades de recerca obertes promet una ciència més col·laborativa, transparent i accessible per a tothom. En els darrers anys, institucions de recerca, editorials, entitats finançadores i governs d’arreu del món estan apostant per fer que les dades d’investigació siguin accessibles per a tothom. Per a l’arqueologia, una disciplina que estudia el patrimoni cultural i que rep principalment finançament públic, aquest model semblaria fet a mida. Això no obstant, les característiques de la recerca arqueològica i les dades que se’n generen fan que l’adopció sigui més complexa del que es podria esperar. Aquesta tesi estudia la situació actual de la gestió, arxiu i compartició de dades de recerca arqueològiques a Catalunya. D’entrada, es defineixen les fonts de finançament i els principals actors de la recerca catalana en arqueologia i s’analitza la infraestructura institucional que sustenta l’actual gestió, arxiu i compartició de dades arqueològiques. A través de l’anàlisi de les dades obtingudes entrevistant Investigadors Principals de projectes de recerca arqueològica es caracteritzen les pràctiques actuals de gestió i compartició de dades i s’identifiquen les perspectives dels investigadors, fent especial èmfasi als principals factors afavoridors i inhibidors per a la implementació del model de dades de recerca obertes. A resultes de tot això, es proposen una sèrie de recomanacions per a la promoció i implantació del model de dades obertes a l’arqueologia catalana
Fotoinmunoterapia en el tratamiento del cáncer de mama HER2 positivo
No full textIntroducció
La fotoimmunoterapia activada per llum infraroja (NIR-PIT) és una estratègia terapèutica emergent que combina l'especificitat dels anticossos monoclonals amb l'acció citotòxica i fluorescent de fotosensibilitzadors. En el càncer de mama HER2+, la resistència al trastuzumab planteja una necessitat clínica no coberta. Aquesta tesi avalua l'eficàcia de la NIR-PIT en un model preclínic de càncer de mama HER2+ resistent al trastuzumab, així com la seva aplicabilitat en cirurgia oncològica.
Mètodes
Es va emprar un model murí implantat amb la línia cel·lular HCC1954. Tots els animals van rebre dues dosis sistèmiques d'un fotoinmunoconjugat (PIC) trastuzumab–IR700; només el grup tractament va ser irradiat amb llum NIR. Es van valorar el diàmetre tumoral màxim (MTD), la tolerància clínica i la captació fluorescent in vivo (IVIS). En paral·lel, es va realitzar una revisió sistemàtica sobre NIR-PIT en neoplàsies d'interès quirúrgic, conforme a les guies PRISMA (registre PROSPERO: CRD42024523715).
Resultats
La NIR-PIT va reduir significativament el creixement tumoral respecte al grup control, amb diferències significatives en la progressió del MTD després de cada sessió (p < 0,05). No es van observar signes de toxicitat ni es van aconseguir criteris d'eutanàsia. El PIC va mostrar una acumulació preferent en el tumor, amb fluorescència superior a la dels teixits adjacents. La revisió sistemàtica va identificar 24 estudis preclínics que van confirmar l'eficàcia de la NIR-PIT sobre models murins en neoplàsies en cinc localitzacions anatòmiques (mama, esòfag, estómac, pàncrees i còlon) i va identificar limitacions comunes com l'ús de models immunodeficients, la falta d'estandardització terapèutica i barreres tècniques per a la seva aplicació intraoperatòria. Es van destacar possibles aplicacions futures com el tractament de carcinomatosi peritoneal, el tractament de marges en reseccions complexes i l'adreçament dual tumoral-estromàtic.
Conclusions
La NIR-PIT va demostrar eficàcia i seguretat en un model de càncer de mama HER2+ resistent al trastuzumab. L'evidència dona suport al seu ús com a eina adjuvant de precisió en cirurgia oncològica. La seva implementació clínica requerirà superar barreres tècniques i metodològiques, i avançar cap a models inmunocompetentes i estudis translacionals.Introducción
La fotoinmunoterapia activada por luz infrarroja cercana (NIR-PIT) es una estrategia terapéutica emergente que combina la especificidad de los anticuerpos monoclonales con la acción citotóxica y fluorescente de fotosensibilizadores. En el cáncer de mama HER2+, la resistencia al trastuzumab plantea una necesidad clínica no cubierta. Esta tesis evalúa la eficacia de la NIR-PIT en un modelo preclínico de cáncer de mama HER2+ resistente al trastuzumab, así como su aplicabilidad en cirugía oncológica.
Métodos
Se empleó un modelo murino implantado con la línea celular HCC1954. Todos los animales recibieron dos dosis sistémicas de un fotoinmunoconjugado (PIC) trastuzumab–IR700; solo el grupo tratamiento fue irradiado con luz NIR. Se valoraron el diámetro tumoral máximo (MTD), la tolerancia clínica y la captación fluorescente in vivo (IVIS). En paralelo, se realizó una revisión sistemática sobre NIR-PIT en neoplasias de interés quirúrgico, conforme a las guías PRISMA (registro PROSPERO: CRD42024523715).
Resultados
La NIR-PIT redujo significativamente el crecimiento tumoral respecto al grupo control, con diferencias significativas en la progresión del MTD tras cada sesión (p < 0,05). No se observaron signos de toxicidad ni se alcanzaron criterios de eutanasia. El PIC mostró una acumulación preferente en el tumor, con fluorescencia superior a la de los tejidos adyacentes. La revisión identificó 24 estudios preclínicos que confirmaron la eficacia de la NIR-PIT sobre modelos murinos en neoplasias en cinco localizaciones anatómicas (mama, esófago, estómago, páncreas y colon) e identificó limitaciones comunes como el uso de modelos inmunodeficientes, la falta de estandarización terapéutica y barreras técnicas para su aplicación intraoperatoria. Se destacaron posibles aplicaciones futuras como el tratamiento de carcinomatosis peritoneal, el tratamiento de márgenes en resecciones complejas y el direccionamiento dual tumoral-estromal.
Conclusiones
La NIR-PIT demostró eficacia y seguridad en un modelo de cáncer de mama HER2+ resistente al trastuzumab. La evidencia apoya su uso como herramienta adyuvante de precisión en cirugía oncológica. Su implementación clínica requerirá superar barreras técnicas y metodológicas, y avanzar hacia modelos inmunocompetentes y estudios traslacionales.Introduction
Near-infrared photoimmunotherapy (NIR-PIT) is an emerging therapeutic strategy that combines the specificity of monoclonal antibodies with the cytotoxic and fluorescent effects of photosensitizers (PS). In HER2-positive breast cancer, resistance to trastuzumab remains a clinically significant challenge. This thesis evaluates the efficacy of NIR-PIT in a preclinical model of trastuzumab-resistant HER2+ breast cancer, as well as its applicability in oncologic surgery.
Methods
A murine model implanted with the HCC1954 cell line was used. All animals received two systemic doses of a photoimmunoconjugate (PIC) consisting of trastuzumab–IR700; only the treatment group was exposed to NIR light. Tumor progression was assessed through maximum tumor diameter (MTD), clinical tolerance, and in vivo fluorescence imaging (IVIS). In parallel, a systematic review of NIR-PIT in surgically relevant neoplasms was conducted according to PRISMA guidelines (PROSPERO registration: CRD42024523715).
Results
NIR-PIT significantly reduced tumour growth compared to controls, with statistically significant differences in MTD progression after each session (p < 0.05). No signs of toxicity were observed and no euthanasia criteria were met. The PIC preferentially accumulated in tumour tissue, showing higher fluorescence than surrounding tissues. The systematic review identified 24 preclinical studies demonstrating NIR-PIT efficacy in murine models across five anatomical sites (breast, oesophagus, stomach, pancreas, colon), while also highlighting common limitations: use of immunodeficient models, lack of treatment standardisation, and technical barriers to intraoperative application. Potential future applications include treatment of peritoneal carcinomatosis, margin ablation in complex resections, and dual targeting of tumour and stroma.
Conclusions
NIR-PIT demonstrated efficacy and safety in a clinically relevant model of trastuzumab-resistant HER2+ breast cancer. The evidence supports its use as a precision adjuvant tool in oncologic surgery. Clinical implementation will require overcoming technical and methodological barriers and advancing toward immunocompetent models and translational studies.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Cirurgia i Ciències Morfològique
Clustering-based resource allocation strategies to maximize resource utilization and enhance quality of service while dealing with energy consumption in volunteer computing Systems
Get PDFThis thesis investigates the challenges associated with resource allocation in volunteer computing systems, characterized by heterogeneous and intermittently available devices interconnected via the Internet. The primary objective is to enhance the utilization of low-availability nodes while preserving service quality and minimizing energy consumption related to data replication. To this end, an availability predictor is developed to classify nodes into high- and low-quality categories, thereby facilitating more effective resource management. The thesis proposes two innovative mechanisms: the Complementary Low-Availability Resource Allocation, which leverages the complementarities among low-availability nodes to maximize their utility and reduce overhead; and the Network-Aware Resource Allocation, which incorporates network parameters such as location and latency to mitigate service degradation and energy expenditure. These approaches aim to optimize resource utilization, improve system efficiency, and ensure reliable service delivery despite the inherent unpredictability of volunteer contributions. Ultimately, this research contributes to addressing critical constraints within volunteer computing environments, fostering their robustness and sustainability.Esta tesis aborda los desafíos en la asignación de recursos en sistemas de computación voluntaria, compuestos por dispositivos heterogéneos y de disponibilidad intermitente conectados a través de internet. El objetivo principal es mejorar la utilización de nodos con baja disponibilidad, manteniendo la calidad del servicio y reduciendo el consumo de energía asociado a la replicación de datos. Para ello, se desarrolla un predictor de disponibilidad que clasifica los nodos en categorías de alta y baja calidad, facilitando una gestión más eficiente de los recursos. La tesis propone dos mecanismos innovadores: la asignación de recursos complementaria para nodos de baja disponibilidad, que agrupa estos nodos según sus complementariedades para maximizar su utilidad y reducir la sobrecarga, y la asignación de recursos consciente de la red, que considera parámetros como ubicación y latencia para disminuir la degradación del servicio y el consumo energético. Estas estrategias buscan optimizar recursos, mejorar la eficiencia del sistema y garantizar un servicio confiable, promoviendo la robustez y sostenibilidad de los entornos de computación voluntaria.Aquesta tesi aborda els reptes en l'assignació de recursos en sistemes de computació voluntària, formats per dispositius heterogenis i de disponibilitat intermitent connectats a través d'internet. L'objectiu principal és millorar la utilització de nodes amb baixa disponibilitat, mantenint la qualitat del servei i reduint el consum d'energia associat a la replicació de dades. Per a això, es desenvolupa un predictor de disponibilitat que classifica els nodes en categories d'alta i baixa qualitat, facilitant una gestió més eficient dels recursos. La tesi proposa dos mecanismes innovadors: l'assignació de recursos complementària per a nodes de baixa disponibilitat, que agrupa aquests nodes segons les seves complementarietats per maximitzar la seva utilitat i reduir la sobrecàrrega, i l'assignació de recursos conscient de la xarxa, que considera paràmetres com ubicació i latència per disminuir la degradació del servei i el consum energètic. Aquestes estratègies busquen optimitzar els recursos, millorar l'eficiència del sistema i garantir un servei fiable, promovent la robustesa i sostenibilitat dels entorns de computació voluntària.Tecnologies de la informació i de xarxe
User-oriented explainable AI (XAI) for decision-making in critical sectors
No full text(English) The increasing integration of Artificial Intelligence (AI) into critical sectors demands a comprehensive understanding of decision-making processes to ensure trust and accountability. To address these challenges, Explainable Artificial Intelligence (XAI) has emerged as a research area aimed at enhancing the transparency of AI workflows. In detail, XAI seeks to provide insights into AI decision-making processes, thus improving trust and accountability. This dissertation explores the role of XAI in ensuring informed decision-making in critical sectors, focusing on the development and evaluation of explainability techniques tailored to real-world industrial scenarios that demand accurate XAI interfaces to ensure the usability in big data scenarios requiring time constrained explainability assesments. In detail, the dissertation contributes to the field by proposing novel interfaces and frameworks for XAI, designed to operate efficiently in big data environments. These contributions are validated through published works in reputable conferences and journals, demonstrating the practical utility and impact of the proposed methods. Ultimately, this research advances the understanding of XAI’s role in enhancing the transparency and accountability of AI systems, ensuring their safe and effective deployment in critical sectors.(Català) L'adopció creixent de la Intel·ligència Artificial (IA) en sectors crítics exigeix una comprensió profunda dels processos de presa de decisions per garantir la confiança de l'usuari final. Per abordar aquests desafiaments, la Intel·ligència Artificial Explicable (XAI) ha sorgit com una àrea de recerca enfocada a millorar la transparència dels fluxos de treball de la IA. En detall, XAI busca proporcionar informació sobre els processos de presa de decisions de la IA, millorant així la confiança envers els models d'aprenentatge automàtic. Aquesta tesi doctoral explora el paper de XAI en la presa de decisions informades en sectors crítics, centrant-se en el desenvolupament i l'avaluació de tècniques d'explicabilitat adaptades a escenaris industrials del món real que requereixen interfícies precises de XAI per garantir-ne la usabilitat en entorns amb grans volums de dades i restriccions de temps en les avaluacions d'explicabilitat. En particular, la dissertació contribueix al camp proposant noves interfícies i marcs de treball per a XAI, dissenyats per operar de manera eficient en sectors crítics. Aquestes contribucions es validen a través de treballs publicats en conferències i revistes de prestigi, demostrant la utilitat pràctica i l'impacte dels mètodes proposats.(Español) La creciente adopción de la Inteligencia Artificial (IA) en sectores críticos exige una comprensión profunda de los procesos de toma de decisiones para garantizar la confianza del usuario final. Para abordar estos desafíos, la Inteligencia Artificial Explicable (XAI) ha surgido como un área de investigación enfocada en mejorar la transparencia de los flujos de trabajo de la IA. En detalle, XAI busca proporcionar información sobre los procesos de toma de decisiones de la IA, mejorando así la confianza del usuario final. Esta tesis doctoral explora el papel de XAI en la toma de decisiones informadas en sectores críticos, centrándose en el desarrollo y la evaluación de técnicas de explicabilidad adaptadas a escenarios industriales del mundo real que requieren interfaces precisas de XAI para garantizar su usabilidad en entornos con grandes volúmenes de datos y restricciones de tiempo en las evaluaciones de explicabilidad. En particular, la disertación contribuye al campo proponiendo nuevas interfaces y marcos para XAI, diseñados para operar de manera eficiente. Estas contribuciones se validan a través de trabajos publicados en conferencias y revistas de prestigio, demostrando la utilidad práctica y el impacto de los métodos propuestos.DOCTORAT EN COMPUTACIÓ (Pla 2012
Design and regulation of high-performance catalysts in cathodes and separators for alkali metal-sulfur batteries
No full textPrograma de Doctorat en Electroquímica, Ciència i Tecnologia / Tesi realitzada a l'Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC)[eng] Alkali metal-sulfur batteries (MSBs) are considered to be the most promising materials to replace lithium-ion batteries (LIBs) in next-generation energy storage systems. Compared to LIBs, lithium sulfur batteries (LSBs) exhibit a six-fold higher theoretical energy density, reaching up to 2500 Wh kg -1, sodium sulfur batteries (SSBs) also demonstrate a theoretical gravimetric energy density of 1274 Wh kg -1, while potassium sulfur batteries (PSBs) achieve a theoretical weight-specific energy density of up to 1023 Wh kg -1. Furthermore, their commercialization costs and environmental impact may be significantly lower. Despite these attractive advantages, the electrical insulating properties of sulfur and Li2S/Na2S/K2S, as well as the shuttle effect of intermediate metal polysulfides (MPS) greatly limit the practical application of AMSBs. In addition, the severe volume change (>80%) and slow redox kinetics during charge and discharge also reduce the cycle life and power density.
The rational design and engineering of the catalysts can effectively overcome the above challenges. The state of the art of AMSBs and the targeted requirements from two points of view: physical adsorption and chemical catalysis, are summarized in Chapter 1.
Within the results part of this thesis, in Chapter 4, I explore the effects of metal phosphide and heteroatom doping on the separator on the performance of LSBs. In this study, I detail a one- step approach to growing tungsten phosphide (WP) nanoparticles on the surface of nitrogen and phosphorus co-doped carbon nanosheets (WP@NPC). I further demonstrate that this material provides outstanding performance as a multifunctional separator in LSBs, enabling higher sulfur utilization and exceptional rate performance. These excellent properties are associated with the abundance of lithium polysulfide (LiPS) adsorption and catalytic conversion sites and rapid ion transport capabilities. Experimental data and density functional theory (DFT) calculations demonstrate tungsten to have a sulfophilic character while nitrogen and phosphorus provide lithiophilic sites that prevent the loss of LiPSs. Furthermore, WP regulates the LiPS catalytic conversion, accelerating the Li-S redox kinetics. As a result, LSBs containing a polypropylene separator coated with a WP@NPC layer show capacities close to 1500 mAh g-1
at 0.1C and coulombic efficiencies above 99.5 % at 3C. Batteries with high sulfur loading, 4.9 mg cm−2, are further produced to validate their superior cycling stability. Overall, this work demonstrates the use of multifunctional separators as an effective strategy to promote LSB performance. This work was published in Journal of Colloid and Interface Science in 2024.
In Chapter 5, I demonstrate the design and production of multifunctional SnSe as a separator for MSBs. More in detail, SnSe nanosheets are introduced as additive into the cathode side of the glass microfiber (GF) separator of the MSB. Taking LSBs as an example, it is demonstrated that the GF-SnSe separator (GF@SnSe) shows strong chemical affinity to LiPSs and superior catalytic activity, inhibiting the transport of LiPSs to the anode and accelerating their conversion. Combining experimental and calculation results, the SnSe additive is shown to decrease the Li2S decomposition energy barrier. Overall, GF@SnSe separators provide significantly improved LSB rate performance and cycling stability with a 0.049% capacity decay per cycle. Besides, the GF@SnSe separator promotes the electrochemical performance of SSBs and PSBs. Overall, this work presents a significant advancement in the development of multifunctional separators in LSBs as well as the emerging Na-S and K-S systems. This work was published in Advanced Energy Materials in 2024.
Since two-dimensional (2D) nanocarbon-based materials with controllable pore structures and hydrophilic surfaces have shown great potential in sulfur host materials, in Chapter 6, I present a scalable approach for the preparation of porous ultrathin nitrogen-doped carbon nanosheets decorated with ultrafine FeTe2 nanoparticles (FeTe2/CN), derived from metal–organic frameworks (MOFs) through a mild and modifier-free synthesis strategy. This graphene-like structure serves as a promising cathode material to address complex challenges in LSBs. Experimental results and DFT calculations highlight the distinct advantages of this structure:
(1) synergistic adsorption occurs through the lithiophilic sites of CN and the sulfiphilic sites of FeTe2, efficiently capturing LiPS; (2) enhanced conductivity of the CN nanosheets, combined with the robust spin state effect of FeTe2, accelerates electron transfer and reduces energy barriers, thereby improving sulfur redox reaction (SRR) kinetics; (3) the graphene-like CN nanosheets provide numerous active sites and mitigate volume expansion during cycling.
Consequently, LSBs based on S@FeTe2/CN cathodes exhibit high initial capacity, exceptional rate performance, and outstanding stability. This work offers a novel strategy for preparing 2D nanocarbon-based materials with highly exposed active sites to enhance SRR efficiency. This work has been published in Energy & Environmental Science in 2025.
Building on my previous works, in Chapter 7, I further explore the feasibility of nanomaterials inSSBs. In this study, I demonstrate a heteronuclear diatomic catalyst featuring Fe and Co bimetallic sites embedded in nitrogen-doped hollow carbon nanospheres (Fe–Co/NC) as an effective sulfur host at the cathode of Na–S batteries. Aberration-corrected high-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy demonstrates the presence of isolated Fe– Co atomic pairs, while synchrotron radiation X-ray absorption fine structure analysis confirms the (Fe–Co–N6) coordination structure. DFTcalculations show that the introduction of Fe atoms induces electron delocalization in Co(II), shifting the electronic configuration from a low-spin to a higher-spin state. This shift enhances the hybridization of the Co dz2 orbitals with the antibonding π orbitals of sulfur atoms within the sodium sulfide species that accelerates their catalytic conversion. As a result, Fe–Co/NC-based cathodes exhibit excellent cycling stability (378 mAh g–1 after 2000 cycles) and impressive rate performance (341.1 mAh g–1 under 5 A g– 1). This work has been published in the Journal of the American Chemical Society in 2025.[cat] Les bateries de sofre amb metalls alcalins (AMSBs), com les bateries de sofre-liti (Li-S) i sofre-sodi (Na-S), han emergit com una alternativa molt prometedora a les tradicionals bateries d’ió liti (Li-ion). Aquest interès creixent es deu principalment a la seva alta densitat energètica teòrica, el baix cost dels materials utilitzats (especialment el sofre, abundant i econòmic), així com als seus avantatges ambientals, ja que poden contribuir a una tecnologia de bateries més sostenible. Tanmateix, malgrat aquests avantatges inherents, les AMSBs encara es troben en fase de desenvolupament i presenten diversos desafiaments tècnics que han limitat la seva comercialització a gran escala. Entre els principals problemes que cal abordar destaquen l’efecte conegut com a “shuttle” dels polisulfurs de liti (LiPS), que provoca pèrdues de capacitat i eficiència, la baixa conductivitat elèctrica del sofre elemental i la seva natura isolant, així com els grans canvis de volum que es produeixen durant els cicles de càrrega i descàrrega, els quals poden comprometre la integritat estructural dels elèctrodes. Per superar aquestes limitacions, s’estan duent a terme nombrosos estudis que proposen solucions innovadores, tant en el disseny dels materials de càtode com en la modificació dels separadors. Algunes de les estratègies més recents i prometedores inclouen: Separadors modificats amb WP@NPC (òxid de tungstè fosfatat incrustat en carboni nitrogenat porós): Aquesta estructura millora considerablement l’adsorció dels polisulfurs de liti i en facilita la conversió redox, la qual cosa condueix a una millor eficiència electroquímica. En proves de laboratori, s’han assolit valors destacats de 636 mAh g⁻¹ a una elevada velocitat de 5C, mantenint una eficiència colòmbica del 99,6% després de 1000 cicles. Separadors amb nanosheets de diseleniur d’estany (SnSe): Aquests nanosheets actuen com a catalitzadors efectius per a la conversió de LiPS, accelerant les reaccions redox i estabilitzant el procés de cicle. Això ajuda a minimitzar la difusió dels polisulfurs cap a l’ànode, un dels principals responsables de la pèrdua de capacitat en aquestes bateries. Càtodes amb nanosheets porosos de carboni nitrogenat (CN) decorats amb nanopartícules de FeTe₂: Aquesta combinació permet una captura eficaç dels polisulfurs i una millora de la conductivitat elèctrica del sistema. A més, ofereix estabilitat estructural durant els cicles, fet que redueix la degradació de l’elèctrode al llarg del temps. Catalitzadors diatòmics Fe-Co incrustats en carboni dopat amb nitrogen: Aquests catalitzadors mostren una capacitat única per modular l’estat d’espín durant la conversió del Na₂S, la qual cosa accelera les reaccions redox i millora la reversibilitat del procés. Amb aquest enfocament, s’ha aconseguit una capacitat de 378 mAh g⁻¹ després de 2000 cicles, demostrant una excel·lent estabilitat a llarg termini. En conjunt, aquestes innovacions representen un pas endavant significatiu cap a l’optimització de les AMSBs, aportant solucions funcionals als problemes estructurals i químics que han obstaculitzat el seu desenvolupament. Tot i que encara queda camí per recórrer abans d’arribar a aplicacions comercials generalitzades, els resultats fins ara indiquen un gran potencial per a ús en sistemes d’emmagatzematge d’energia estacionària, vehicles elèctrics i altres aplicacions exigents. Amb la recerca contínua en materials, arquitectura cel·lular i disseny d’electròdes, les bateries de sofre amb metalls alcalins podrien esdevenir una peça clau en el futur panorama energètic global